М. М. МАСЛОВ
Научный руководитель – Л. А. ОПЕНОВ, к. ф.-м. н., доцент
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
МОДЕЛИРОВАНИЕ УГЛЕВОДОРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЫ КУБАНА C8H8
Выполнены квантово-механические расчеты геометрических и энергетических характеристик, а также динамики наноструктур на основе кубана C8H8. Продемонстрирована принципиальная возможность синтеза таких систем.
Сильно деформированные углеводородные молекулы на основе кубана C8H8 представляют собой как фундаментальный, так и практический интерес. Они могут использоваться как перспективное энергоемкое вещество, найти применение в фармацевтике, для создания жидкокристаллических соединений и т. д. Целью данной работы было компьютерное моделирование кубана C8H8, метилкубана C9H10 (рис. 1), а также различных наноструктур на основе кубана. Был использован специально разработанный для этой цели неортогональный потенциал сильной связи [1].
|
|
Рис. 1. Метилкубан C9H10 | Рис. 2. Распад кубана C8H8 |
Расчетное значение энергии связи атомов в кубане составило Eb = 4.42 эВ/атом (экспериментальное значение Eb = 4.47 эВ/атом), в метилкубане – Eb = 4.37 эВ/атом (экспериментальные данные отсутствуют). Длины связей в кубане равны lC-C = 1.570 Å, lC-H = 1.082 Å. Для длин связей в кубическом остове метилкубана получены значения lC-C = 1.566; 1.571; 1.585 Å. Длина связи C-C между остовом и метил-радикалом составила lC-C = 1.469 Å. Для атомов углерода в остове длины связей C-H равны lC-H = 1.082 Å, а в присоединенном метил-радикале – lC-H = 1.105 Å.
Методом молекулярной динамики детально исследованы каналы и продукты распада кубана [2] и метилкубана [3]. Распад кубана (рис. 2) всегда начинается с перехода в изомер син-трициклооктадиена (STCO), после чего за время 0.1 – 1 пс происходит его переход в циклооктатетраен (COT) или в изомер бициклооктатриен (BCT). Затем BCT трансформируется в COT или распадается на молекулы бензола (BEN) и ацетилена (A). Процесс распада метилкубана происходит следующим образом. Сначала молекула метилкубана трансформируется в один из двух изомеров метил-STCO, а затем каждый из них переходит в различные изомеры метил-BCT. Окончательными продуктами распада является молекула метил-COT, а также совокупности молекул BEN и пропина или толуола и ацетилена. Полученные результаты могут подсказать направление поиска новых способов синтеза кубана и метилкубана (например, обращение хода химической реакции при помощи соответствующих катализаторов, понижающих барьер обратной реакции).
Непосредственный расчет времени жизни t кубана и метилкубана при различных температурах T позволил определить значения энергии активации Ea и частотного фактора A в формуле Аррениуса t(T) = A–1exp(Ea /kBT), где kB – постоянная Больцмана. Для кубана Ea = (1.9 ± 0.1) эВ, A = 1016.03 ± 0.36 с–1. Для метилкубана Ea = (1.7 ± 0.2) эВ, A = 1015.63 ± 0.53 с–1. Знания зависимости t(T) необходимо для оптимизации условий синтеза этих кластеров и веществ на их основе.
|
|
|
Рис. 3. Фрагмент зигзагообразной цепочки | Рис. 4. Фрагмент двухмерного слоя | Рис. 5. Фрагмент структуры суперкубана |
Энергии связи в наноструктурах на основе кубана составили 4.58; 4.89; 8.62 эВ/кластер, а длины связей – 1.454; 1.458; 1.456 Å для линейных, зигзагообразных цепочек (рис. 3) и двухмерных слоев (рис. 4), соответственно. Показано, что суперкубан (рис. 5) не является сверхплотным материалом, как считалось ранее. Его плотность ρ = 2.7 г/см3 меньше, чем у алмаза [4]. Длина межкластерной связи в суперкубане равна 1.460 Å.
Список литературы
1. , , Опенов метод сильной связи для углеводородных соединений // Инженерная физика. 2007. № 5. С. 42.
2. , , Опенов устойчивость кубана C8H8 // ФТТ. 2009. Т. 51. С. 609.
3. Маслов термического распада молекулы метилкубейна C9H10 // Химическая Физика. 2009. а печати.
4. Maslov M. M. Theoretical modeling of the cubane-based chains, networks and bulks // J. Phys.: Conf. Ser. 2008. V.129. P. 012045.
